[发明专利]一种新型核壳结构的彩色二氧化硅及其制备方法和应用

说明书

本发明属于染料掺杂二氧化硅制备技术领域，公开了一种新型核壳结构的彩色二氧化硅，所述彩色二氧化硅以二氧化硅为核，以PDADMAC‑染料预混物为内壳层，以二氧化硅为外壳层；本发明将PDADMAC作为一个连接负电性的二氧化硅颗粒与带有负电官能团染料分子的桥梁，成功的将染料分子包裹在二氧化硅颗粒表面；随后再次在PDADMAC‑染料预混物外包裹一层二氧化硅作为外壳层，从而最终制得新型核壳结构的彩色二氧化硅；该新型核壳结构的彩色二氧化硅性质稳定，染料不易泄露；本发明的制备方法制得的新型核壳结构的彩色二氧化硅颗粒均一，可以广泛应用于催化、分子检测、生物监测、成像等领域。

技术领域

本发明涉及染料掺杂二氧化硅制备技术领域，更具体地，涉及一种新型核壳结构的彩色二氧化硅及其制备方法和应用。

背景技术

染料掺杂的二氧化硅颗粒由于与游离染料相比具有更好的光稳定性，水溶性，低毒性和易于表面修饰的特性，因此在生物成像和传感器技术中具有广阔的应用前景。目前已开发出几种方法来掺入发光染料制成二氧化硅基质，以制备染料掺杂的二氧化硅颗粒。

1992年，Van Blaaderen等人通过共价偶联法首次制备了异硫氰酸荧光素(FITC)掺杂的二氧化硅纳米颗粒，人们也首次获得了荧光纳米颗粒。在该反应中，首先将FITC与硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在黑暗和氮气环境中耦合24小时得到FITC-APTES偶联物。然后，以氨水为催化剂，将FITC-APTES偶联物和硅源TEOS在乙醇的环境中由氨水催化水解、缩合得到荧光纳米粒子。在使用该方法时，必须注意荧光染料必须具有能与硅烷偶联剂的氨基偶联的官能团。然而，目前能与氨基发生反应的功能基荧光染料种类较少，且价格昂贵，极大地限制了该方法的应用。

2005年，Rosenzweig小组首次在反应体系将菲啰啉联钌掺杂入无定型二氧化硅介质中，获得了尺寸可控、光稳定性好、几乎不漏染的二氧化硅颗粒。该方法基于带正电的有机金属染料与带负电的二氧化硅骨架之间的静电吸引。与共价偶联法相比，这种方法更为简单。但是考虑到金属有机类染料的种类较少，并不能满足大量需求。根据Liang等人提出了一种新型的吸附方法，因为大部分水溶性的染料是带负电的，而合成法获得二氧化硅颗粒由于表面的羟基所以带有大量的负电荷，人们发现，聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)是一种具有许多正电荷的长链水溶性高分子化学物，用于连接二氧化硅颗粒与带负电荷的染料，则可以利用静电力吸附法将染料吸附在二氧化硅颗粒之中。但是该方法会对二氧化硅颗粒的均一性产生影响；Tan小组在2001年，通过静电相互作用制备了均匀性为63±4nm的联吡啶钌掺杂二氧化硅纳米粒子。但是反相微乳液法合成系统是在水溶液地环境下进行地，由于水溶性染料通常具有负电荷，例如羟基、羧基和磺酸根。由于这些基团与二氧化硅基体具有相同的负电荷，因此染料很难被结合，因此渗漏现象非常严重。

经过上述方法汇总，人们发现使用体系的共价偶联法，必须针对特定的染料进行表面官能团的添加或者使用催化剂促进原有官能团与氨基进行缩合反应，这样才可以使得使染料与APTES的偶联物与TEOS共水解来制备掺杂的二氧化硅颗粒。经过调研发现，具有特定官能团的染料分子较少且价格昂贵，不适用于大规模的应用。对于静电吸附法，该方法可以简单的将负电染料包裹进二氧化硅颗粒，但是由于其带电性，会对二氧化硅颗粒的均一性产生影响，导致生成的二氧化硅颗粒聚集在一起，很难得到可控的，均一的掺杂二氧化硅颗粒。对于反相微乳液法，由于颗粒尺寸的可控范围小，且染料极易泄露，故在此不考虑该方法。

现有技术缺乏一种成本低、制备过程简单、原料易得、尺寸可控，且形成单分散、均一的染料掺杂的彩色二氧化硅颗粒的制备方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、制备过程简单、原料易得、尺寸可控，且形成单分散、均一的染料掺杂的二氧化硅颗粒。

本发明的首要目的是提供一种新型核壳结构的彩色二氧化硅。

本发明的第二个目的是提供上述新型核壳结构的彩色二氧化硅的制备方法。